SiCp/Cu電子封裝材料的主要制備方法


現代集成電路集成度和運行速度的不斷提高,導致電路功耗越來越大,發熱量不斷增加,器件因溫升而造成失效的可能性不斷加大,對電子封裝材料的要求也越來越苛刻。以碳化硅為代表的第三代半導體器件的發展對電子封裝材料的性能提出了更高的要求,如高導熱、低膨脹、優異的耐溫性能等。碳化硅顆粒增強銅基復合材料(SiCp/Cu)具有更高的熱導率、更低的熱膨脹系數、更好的耐溫性能和更優異的焊接性能等優點,在電子封裝領域具有很大的應用潛力。

目前,SiCp/Cu電子封裝材料的制備方法主要有粉末冶金法、放電等離子燒結法、無壓浸滲法、壓力浸滲法和反應熔滲法等。


粉末冶金法


粉末冶金法是最早用來制備金屬基復合材料的方法。粉末冶金法制備SiCp/Cu的工藝流程是先將SiC粉和Cu粉混合均勻,然后將混合粉末冷壓成型,冷壓成型后的生坯再經過特定工藝燒結完成復合制得SiCp/Cu電子封裝材料。粉末冶金法還可以采用將混合粉末直接進行熱壓燒結的工藝制備SiCp/Cu電子封裝材料。用粉末冶金法制備SiCp/Cu電子封裝材料,當SiC增強相含量較高時容易發生團聚,很難避免SiC顆粒間的直接接觸,導致材料孔隙度增大,難以獲得高致密度的復合材料。但是,采用粉末包覆和熱壓燒結的工藝可以提高粉末冶金法制得SiCp/Cu的致密度和綜合性能。


放電等離子燒結法


放電等離子燒結(SPS)法是近年發展起來的一種新型材料制備方法。SPS法制備SiCp/Cu電子封裝材料,首先利用高能電火花在Cu顆粒間的瞬間放電和高溫等離子體,促進Cu顆粒間局部粘結,同時利用通過模具的電流加熱模具,向SiC與Cu的混合粉末提供外加熱源,實現內外加熱,且加熱的同時加壓,可以在較低的溫度下實現快速燒結制備SiCp/Cu電子封裝材料。SPS工藝燒結溫度低,燒結速度快,燒結時間短,是一種快速成型工藝,但由于設備成本高,制備材料形狀的復雜性受限,因此尚未得到廣泛應用。


無壓浸滲法


無壓浸滲法是一種借助熔融的Cu金屬液與SiC預制件之間潤濕產生的毛細管力使Cu金屬熔液自發進入SiC多孔顆粒預制件中從而得到致密的SiCp/Cu電子封裝材料的方法。無壓浸滲法借助毛細管力自反浸滲,預制件可預先制成各種形狀,滲入后制品保形性好,尺寸可精確控制。目前,無壓浸滲法被廣泛用于制備SiCp/Al復合材料,有關無壓浸滲制備SiCp/Cu的報道較少。根本原因是SiC與Cu在1100℃時潤濕角為140°,潤濕性極差導致無壓浸滲溫度高、浸滲時間長,且滲透厚度小。此外,浸滲溫度高、浸滲時間長導致SiC與Cu界面反應嚴重,Cu基體與界面熱阻增大,材料性能降低。因此,在不進行Cu與SiC界面改性的前提下很難實現無壓浸滲法制備高致密度、高性能的復合材料。


壓力浸滲法


壓力浸滲法是通過外加壓力將Cu金屬液浸滲到多孔SiC預制件中實現基體與增強體的復合從而制備SiCp/Cu電子封裝材料的方法。依據外加壓力的種類,壓力浸滲法分為機械加壓浸滲法和氣體加壓浸滲法,即分別采用機械加壓和氣體加壓實現浸滲過程。壓力浸滲法中影響浸滲質量的工藝參數較多,如模具結構、SiC粒徑、浸滲壓力、模具和預制件的預熱溫度、Cu合金成分和Cu液澆注溫度等,工藝較復雜。因此,目前國內外關于該工藝制備SiCp/Cu電子封裝材料的報道較少。但是,壓力浸滲法是在真空條件下的外加壓力的液相浸滲過程,能夠保證Cu液浸滲的充分性和SiC與Cu良好的界面結合,制備出的材料致密度高,有利于獲得優異的性能。


反應熔滲法



反應熔滲法制備SiCp/Cu電子封裝材料是在高溫下將Cu-Si合金熔體浸滲入多孔碳坯體中,利用Cu-Si合金中的Si在一定的溫度下與碳坯體發生反應,原位生成SiC增強相而制備SiCp/Cu電子封裝材料的方法。反應熔滲法制備SiCp/Cu電子封裝材料主要包括兩個環節,即多孔碳坯體制備和Cu-Si合金熔體浸滲。反應熔滲法是一種快速、近凈成型工藝,能制備形狀復雜的零件且尺寸變化小。該方法中SiC增強相是通過原位反應形成的,尺寸細小、界面無污染、與基體界面結合強度高。但是,該方法制備SiCp/Cu電子封裝材料過程中反應的充分性不易控制,過量的碳坯體或者是殘存的游離態Si導致SiCp/Cu復合材料的熱導率低,不適宜作為電子封裝材料使用。


來源:新材料技術前沿

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